基于原位試驗的比貫入阻力與不排水抗剪強度相關性研究

彭李暉 夏旭維

（1湖北國土資源職業學院，湖北 武漢 430090；2深圳市勘察測繪院（集團）有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

靜力觸探與十字板剪切試驗是在軟土層中進行勘察及獲取力學參數較為成熟、可靠的原位測試手段，這兩種試驗方法具有避免土樣擾動，不改變土體天然應力狀態的優點。十字板剪切試驗往往針對飽和軟黏土，常用來測試和估算地基土承載力、確定軟土靈敏度等參數。相對十字板剪切試驗，靜力觸探試驗適用范圍則更為廣泛，不僅適用于軟土也適用于粘性土、粉土、砂類土和含有少量碎石的土層，同時靜力觸探試驗具有數據連續、速度快、勞動強度低、清潔、經濟等優點[1-2]。

靜力觸探試驗中的比貫入阻力和十字板剪切試驗中的不排水抗剪強度往往是原位試驗需要重點獲取的參數，在工程場地中若能建立靜力觸探比貫入阻力與十字板剪切試驗不排水抗剪強度之間的定量關系，往往在工程勘察中可以起到事半功倍的效果。本文通過對武漢市漢南區馬影河流域軟土地層中大量十字板剪切試驗和靜力觸探試驗成果進行統計分析，建立比貫入阻力和不排水抗剪強度二者之間的定量關系公式，對后續該地區工程勘察具有一定參考意義。

1 工程概況

馬影河是武漢市漢南區境內最大天然河流，由主河道、8 條連河溝渠和14 個小湖泊構成，流域面積152.49km2，占全區總面積69.3%。漢南某項目工程場地位于馬影河流域中部。根據勘察成果可知：研究區普遍分布5～10m 厚河湖相沉積的灰褐色淤泥，呈流塑狀，含有機質，可見貝殼，具腥臭味。其物理性質如表1所示。

表1 研究區軟土物理力學性質

工程在廠區初勘和詳勘等各階段工程勘察中，累計完成鉆探孔38 個，靜力觸探孔（單橋）82 個，十字板剪切試驗孔64 個。在勘察過程中有相當一部分試驗孔同時對軟土層進行靜力觸探試驗和十字板剪切試驗，兩試驗孔平面間距0.5～0.8m，針對該部分試驗數據進行統計分析，建立比貫入阻力與不排水抗剪強度之間的定量關系。

2 比貫入阻力與不排水抗剪強度關系的數學表達及意義

2.1 回歸方程的建立

該場地累積了大量的原位測試數據，統計過程中根據十字板剪切試驗深度確定臨近靜力觸探孔相同深度比貫入阻力值，在此基礎上根據靜力觸探曲線與十字板剪切曲線剔除某些明顯異常、夾層處或對比性差的數據，最終統計的有效數據共計103組。靜力觸探比貫入阻力值有70.8%集中于0.20～0.50MPa，不排水抗剪強度有85.4%集中于10～30kPa。將此103 組靜力觸探比貫入阻力值Ps與十字板剪切不排水抗剪強度Cu繪制散點圖（見圖1）。

如圖1 所示，靜力觸探比貫入阻力與不排水抗剪強度數據整體呈線性關系，其回歸方程為Cu=0.0545Ps+0.0057，統計分析相關系數R=0.93，回歸方程的擬合程度較好，部分數據離散性偏大可能由于土中含有貝殼或砂礫造成數據失真。

圖1 靜力觸探比貫入阻力與十字板剪切不排水抗剪強度散點圖與回歸曲線

2.2 回歸方程的檢驗

為檢驗該回歸方程，使其能夠更好地應用于漢南馬影河區域軟土層，在后續主廠房和調蓄池詳勘中采用該回歸方程對十字板剪切和靜力觸探試驗數據進行對比，其比貫入阻力和不排水抗剪強度試驗結果與通過Cu=0.0545Ps+0.0057 計算的結果列于表2。同時在部分深度通過鉆探取得原狀土樣還進行少量室內無側限抗壓試驗（室內無側限抗壓強度qu）。

表2 主廠房十字板剪切強度計算值與實測值、無側限抗壓試驗結果比較

通過表2 可以看出十字板剪切實測值和計算值較為接近，相對誤差在-7.8%～11.5%之間，實測值與計算值基本等于室內無側限抗壓強度qu的一半，表明在馬影河區域軟土地層靜力觸探比貫入阻力與不排水抗剪強度指標之間存在明顯的相關性，驗證了回歸方程的可靠性。

2.3 回歸方程建立的意義

目前獲取軟土不排水抗剪強度指標的手段主要有三種：一為現場十字板剪切試驗，這種原位測試試驗過程復雜、費時，試驗結果不僅受埋藏深度、軟土成分及試驗人員操作精度等影響，同時該試驗無法取得軟土連續的力學參數；二為室內無側限抗壓及三軸剪切試驗，室內試驗不僅面臨軟土取樣、制樣的困難而且取樣過程中應力釋放導致室內難以測出軟土真實力學參數，因此限制了這類方法的廣泛使用；三為利用靜力觸探試驗結果求軟土不排水抗剪強度，此方法適用性廣，相對快速簡潔，不失為一種好方法[3]。

目前利用靜力觸探試驗結果求軟土不排水抗剪強度主要通過建立靜力觸探比貫入阻力或錐尖阻力、側壁摩阻力與不排水抗剪強度之間數學關系，進而通過靜力觸探試驗計算出軟土不排水抗剪強度。然而由于受軟土成分、成因、分布區域及試驗精度影響，很難得到靜力觸探比貫入阻力或錐尖阻力、側壁摩阻力與不排水抗剪強度之間普遍適用的理論關系公式。但在小范圍區域，不同研究人員在不同地區利用靜力觸探試驗數據確定軟土不排水抗剪強度，建立地方性經驗公式[4-6]。從表3 中可看出絕大部分經驗公式基本都遵循Cu=aPs+b 的 模 式 ，a 值 普 遍 在 0.05 左 右 ，b 值 普 遍 在0.002MPa左右。本研究得到河湖相軟土靜力觸探比貫入阻力與不排水抗剪強度之間的數學關系為Cu=0.0545Ps+0.0057，與其它地區軟土經驗公式有一定差異,但基本趨勢相同，能反應該地區軟土特點。

表3 國內軟土地區靜力觸探成果相關性公式

3 回歸方程在周家河地區軟土中的應用

在馬影河流域周家河地區通航大道工程地質勘察中，也對部分地段的河湖相軟土進行靜力觸探試驗與十字板剪切試驗，選取4 個試驗孔相同試驗段的比貫入阻力和不排水抗剪強度試驗值與利用回歸方程Cu=0.0545Ps+0.0057計算值進行對比（見表4）。

表4 通航大道不排水抗剪強度實測值與計算值比較

由表4可見不排水抗剪強度實測值與通過回歸方程計算值比較接近，18組數據相對誤差在-8.8%～9.4%，誤差在可接受范圍內，表明馬影河流域中部軟土得出的比貫入阻力與不排水抗剪強度間的回歸方程同樣適用于馬影河整個流域湖濱相軟土。馬影河流域面積152.49km2，占全區總面積69.3%，軟土分布較為廣泛而且該地區亟待開發，比貫入阻力與不排水抗剪強度間的回歸方程應用對這一地區工程勘察有重要參考價值。

4 結束語

通過大量現場數據得到漢南馬影河流域軟土層靜力觸探比貫入阻力與十字板剪切不排水抗剪強度經驗公式，并通過不同區域數據進行驗證，確認了經驗公式的可靠性。相對十字板剪切試驗只能測出軟土不連續的不排水抗剪強度，靜力觸探試驗可在垂向上獲得連續的力學參數，通過該經驗公式可計算出軟土連續的不排水抗剪強度，為工程設計人員提供參考并對節約后續勘察工作量和成本具有一定實際意義。